基于51單片機的輪輞跳動量檢測系統(tǒng)

張鳳娟，謝 彪

無錫科技職業(yè)學(xué)院尚德光伏學(xué)院，江蘇無錫 214028

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)越來越多地進入家庭，我國也已經(jīng)成為全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國家。輪輞是組成汽車的主要部件之一，輪輞質(zhì)量的好壞，會直接影響到汽車的整體質(zhì)量。因此輪輞跳動量自動檢測裝置具有一定的研究意義。

當(dāng)前，全世界只有歐美等少數(shù)國家具備輪輞自動檢測裝置[1]，且主要用于對高檔轎車車輪的檢測，但所需設(shè)備造價高昂。而國內(nèi)車輪行業(yè)內(nèi)，特別是在廣大的中小企業(yè)中至今還沒有統(tǒng)一檢測輪輞跳動量的裝置，目前我國輪輞生產(chǎn)廠家的檢測主要有接觸式測量法和非接觸式測量法兩種[2-4]，但都存在一定的缺陷。本系統(tǒng)涉及一種輪輞跳動量的檢測裝置，其可對輪輞的徑向及輻向的跳動量進行較精確的測量，對跳動量的大小進行判斷，并通過LED進行顯示，當(dāng)超過設(shè)定的數(shù)值時發(fā)出聲光報警信號，具有較強的數(shù)據(jù)處理與分析能力；軟件上設(shè)計了上位機的通信模塊，所以可以與計算機進行聯(lián)接，便于數(shù)據(jù)的存儲與加工。此系統(tǒng)在車輪制造行業(yè)中具有很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及硬件部分

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要包括步進驅(qū)動、數(shù)據(jù)監(jiān)測、信號編碼、單片機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出等部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。該裝置將測頭與被測端面充分接觸，由步進電機帶動輪輞依次轉(zhuǎn)過一定角度，并將每次的端面跳動量通過測桿、齒條、齒輪從而帶動高精度編碼器轉(zhuǎn)動，所獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機經(jīng)一定的算法處理后即為被測輪輞的徑向、軸向跳動數(shù)值，所得參數(shù)可通過與設(shè)定參數(shù)對比，以判定產(chǎn)品合格與否，亦可通過上傳至上位機，將所測得的數(shù)據(jù)繪制出相應(yīng)的曲線或以文件形式進行存儲。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 數(shù)據(jù)檢測與信號編碼

數(shù)據(jù)監(jiān)測部分包括齒條、測桿、復(fù)位彈簧、側(cè)頭和滾輪等部分，與旋轉(zhuǎn)編碼器相連。齒輪齒條機構(gòu)位于測桿的中部，齒輪齒條機構(gòu)包括位于測桿上的齒條，齒條與旋轉(zhuǎn)編碼器的齒輪相嚙合，齒輪安裝于旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼器軸上；通過齒輪與齒條間的相互嚙合，能夠?qū)y桿的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)編碼器軸的轉(zhuǎn)動，使旋轉(zhuǎn)編碼器輸出相應(yīng)的檢測信號，能夠得到相應(yīng)的檢測結(jié)果。

測桿對應(yīng)于設(shè)置測頭的另一端設(shè)有壓緊彈簧，壓緊彈簧套在測桿上，且壓緊彈簧的兩端分別與測桿上的兩個定位塊相接觸當(dāng)輪輞跳動量檢測裝置安裝于相應(yīng)的檢測夾具上時，能夠通過壓緊彈簧使側(cè)頭的測量頭滾輪能夠保持與輪輞的滾動接觸。

旋轉(zhuǎn)編碼器采用位以上的絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器，通過檢測部分的齒條帶動齒輪從而使編碼器輸出一定的編碼信號，由于使用的是絕對式編碼器，無需校準(zhǔn)。齒輪直徑為13mm，以目前市場上使用較多的日本多摩川編碼器為例，其單圈編碼器精度可達(dá)20位，若選用精度為12位，故可達(dá)212=4096線，故分辨率可達(dá)π.R/212，約為0.01mm，完全可以滿足輪輞的測量精度要求。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程

輪輞通過輪輞夾具安裝于步進驅(qū)動平臺上，步進驅(qū)動平臺對應(yīng)于設(shè)置輪輞的另一側(cè)設(shè)有步進電機，步進電機的輸出軸與步進驅(qū)動平臺相連，步進電機能夠驅(qū)動步進驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動，從而使輪輞跟隨步進驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動。輪輞跳動量檢測裝置通過檢查夾具安裝定位，且輪輞跳動量檢測裝置的測量頭滾輪與輪輞滾動接觸。當(dāng)被測鋼圈輪輞轉(zhuǎn)動跟隨步進電機轉(zhuǎn)動一定角度時，由于輪輞表面的凸凹不平，測量頭滾輪驅(qū)動測桿直線運動，從而驅(qū)動旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼器軸轉(zhuǎn)動，輸出一定的編碼信息，形成對輪輞跳動量的檢測。

為了使步進電機能夠驅(qū)動步進驅(qū)動平臺，控制器通過步進驅(qū)動模塊與步進電機相連，控制器可以采用單片機，從而形成單片機系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)編碼器與單片機系統(tǒng)相連后，形成圖1中的數(shù)據(jù)檢測模塊及信號編碼模塊。單片機系統(tǒng)還分別與數(shù)據(jù)處理模塊及上位機通訊模塊相連，單片機系統(tǒng)的輸出端與顯示輸出模塊相連。單片機系統(tǒng)通過上位機通訊模塊能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機的通訊。顯示輸出模塊可以采用LED模塊顯示輸出檢測量及計算數(shù)值。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。在定時中斷中處理任務(wù)，從而使得單片機CPU的利用率得到很大提高。主程序中單片機處于低功耗睡眠狀態(tài)，由看門狗定時中斷函數(shù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及控制電機轉(zhuǎn)向。

圖2 裝置測量流程圖

3 結(jié)論

本文描述了一種輪輞跳動量檢測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。通過調(diào)試證明了系統(tǒng)的可行性，本系統(tǒng)能有效地對輪輞的徑向及輻向的跳動量進行較精確的測量，測量頭滾輪與輪輞通過滾動接觸測量，所以抗干擾能力強，易于實現(xiàn)，避免了非接觸測量中鐵屑、毛刺及不同材質(zhì)等因素的干擾，可廣泛應(yīng)用于鐵圈、鋁圈等幾乎所有材料的輪輞跳動測量；滾動接觸測量時，接觸面大，摩擦小，可有效減小誤差；輪輞轉(zhuǎn)動檢測時通過步進電機驅(qū)動工作可靠，精度高，實時性好。旋轉(zhuǎn)編碼器使用高精度絕對式光電編碼器；測量精度高，反應(yīng)速度迅速，而且容易實現(xiàn)批量化制造，精度也可以得到保證。

[1]Advantech Co.,Ltd.PLC-818 user's manual[Z]，2003.

[2]袁海兵.在線式汽車輪輞跳動檢測機的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2011(11)：68-69.

[3]李國忠.淺析影響汽車輪轂跳動的幾個因素[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2007(5)：35-37.

[4]孫慧平，余紅娟，徐新民.智能型鋁輪精密檢測機檢測誤差分析及誤差分離與補償技術(shù)的研究[J].機床與液壓，2005(10)：129-132.

[5]Advantech Co.,Ltd.PLC-818 user's manual[Z]，2003.